Restitution des changements de l’hydrologie des masses d’eaux intermédiaires et profondes de la Méditerranée au cours des derniers 145 ka à partir de la mesure de la composition isotopique du Nd de foraminifères

Reconstruction of past changes of the intermediate ad deep waters hydrology in the Mediterranean Sea 145 ka from the Nd isotopic composition analyse on foraminifera

• Auteur / Autrice : Maxence Duhamel
• Direction : Christophe Colin, Giuseppe Siani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre solide : géodynamique des enveloppes supérieures, paléobiosphère
• Date : Soutenance le 29/06/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Paris-Saclay (Orsay, Essonne ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Jocelyn Barbarand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Viviane Bout-Roumazeilles, Jean-Claude Dutay, Laurent Li, Eva Moreno
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Viviane Bout-Roumazeilles, Jean-Claude Dutay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Foraminifères

Datation -- Méthode samarium-néodyme

Quaternaire (ère géologique)

Méditerranée (mer)

Paléohydrologie

Mots clés libres

Paléohydrologie

Méditerranée

Quaternaire terminal

Composition isotopique du Néodyme

Foraminifères

Paleo-hydrology

Mediterranean sea

Late quaternary

Nd isotopic composition

Foraminifera

Résumé

Cette thèse vise à faire progresser notre connaissance de l’hydrologie des masses d’eaux intermédiaires et profondes de la Méditerranée au cours du dernier cycle climatique (derniers 145 ka), et de contraindre les modèles de circulation océanique ayant permis les dépôts de niveaux riches en matière organique (ORL et sapropèles). La composition isotopique en Nd (εNd) d’échantillons de foraminifères de carottes localisées à des bathymétries intermédiaires et profondes de la mer Tyrrhénienne, de l’Adriatique, de la mer Ionienne et du bassin Levantin ont été analysées. Ce travail a permis de mettre en évidence que les eaux intermédiaires et profondes de la Méditerranée Orientale sont systématiquement plus radiogéniques durant les périodes glaciaires que durant les interglaciaires. Nous avons démontré que ces changements ne peuvent pas être attribuée entièrement aux variations des apports éoliens et fluviatiles du Nord de l’Afrique mais à d’importantes modifications dans la quantité d’eau Atlantique (AW) pénétrant en Méditerranéen. Les périodes de bas niveaux marins glaciaire sont associées à une réduction des flux d’eau Atlantique à travers les détroits de Gibraltar et Siculo-tunisien en induisant des masses d’eau profonde plus radiogéniques en Méditerranée orientale. Surimposées à ces fluctuations glaciaires-interglaciaires, les périodes humides Africaines et de dépôts de sapropèles sont systématiquement caractérisées par des valeurs εNd plus radiogéniques. Cela a été attribué à l’arrêt de la convection profonde des eaux moins radiogéniques de surface associée à une augmentation du temps de contact des masses d’eaux profondes avec les sédiments radiogéniques des marges continentales du bassin Levantin. Nos résultats mettent en évidence durant les terminaisons I et II une augmentation de la contribution d’eau moins salées d’origine Nord Atlantique (MAW) d’environ 55 % pouvant avoir pré-conditionné la Méditerranée orientale plusieurs milliers d’année avant le dépôt des sapropels S1 et S5.La comparaison des enregistrements d’εNd obtenus dans les bassins Orientale et Occidentale sur le dernier cycle climatique montre un gradient d’εNd plus fort entre les deux bassins aux profondeurs intermédiaires et profondes durant les stades glaciaires. Cela est cohérent avec un échange d’eau plus faible de part et d’autre du détroit Siculo-tunisien durant les périodes de bas niveau marin glaciaire. Durant les hauts niveaux marins des périodes les interglaciaires les échanges d’eau sont au contraires plus forts entre les deux bassins induisant un transfert à la mer Tyrrhénienne des variations de la composition isotopique en Nd observée en Méditerranée orientale. Ainsi, les périodes humides africaines induisant une stratification des masses d’eaux et les dépôts de sapropèles à l’est, sont associées à des signatures d’eaux plus radiogéniques qui sont alors transportées par la LIW en Mer Tyrrhénienne. Surimposé à ces variations orbitales, des variations rapides de l’εNd ont pu être mises en évidence dans le chenal de Corse. Chaque événements froids des hautes latitudes de l’hémisphère Nord (Younger Dryas et événements de Heinrich) se caractérisent par une LIW plus radiogénique dans la mer Tyrrhénienne impliquant une réduction de la formation d’eau intermédiaire dans le Golfe du Lion (lié à de plus forts apports d’eaux douces depuis l’Atlantique lors des événements de Heinrich) et/ou une production plus importante de LIW en Méditerranée orientale (lié à un refroidissement de la surface du Nord de la Méditerranée lors des événements de Heinrich).

This thesis aims to advance our knowledge of the hydrology of the intermediate and deep water masses of the Mediterranean during the last climatic cycle (last 145 ka), and to constrain the ocean circulation models that allowed the deposition of organic matter-rich sediments (ENT and sapropels). The Nd isotopic composition (εNd) of foraminifera samples in cores located at intermediate and deep bathymetries of the Tyrrhenian Sea, the Adriatic Sea, the Ionian Sea and the Levantine Basin were analyzed. This work allowed to highlight that the intermediate and deep waters of the Eastern Mediterranean are systematically more radiogenic during the glacial stadiums than during the interglacials. We have shown that these changes cannot be entirely attributed to variations in dust and river inputs from northern Africa but to significant changes in the amount of Atlantic (AW) water entering the Mediterranean. Periods of low sea ice levels are associated with a reduction in Atlantic water flows through the straits of Gibraltar and Siculo-Tunisia by inducing more radiogenic deep-water masses in the eastern Mediterranean. Superimposed on these glacial-interglacial fluctuations, African humid periods and sapropel deposits are systematically characterized by more radiogenic εNd values. This has been attributed to the cessation of deep convection of less radiogenic surface water associated with an increase in the contact time of deep-water bodies with radiogenic sediments from the continental margins of the Levantine basin. Our results highlight during terminations I and II an increase in the contribution of less salty water of North Atlantic origin (MAW) of around 55% which may have pre-conditioned the eastern Mediterranean several thousand years before the deposit S1 and S5 sapropels. A comparison of the εNd recordings obtained in the Eastern and Western basins over the last climate cycle shows a stronger gradient of εNd between the two basins at intermediate and deep depths during the glacial stadiums. This is consistent with a weaker water exchange across the Siculo-Tunisian Strait during periods of low sea ice. On the contrary, during the high sea levels of the interglacial periods, water exchanges are stronger between the two basins, inducing a transfer to the Tyrrhenian Sea of variations in the isotopic composition of Nd observed in the eastern Mediterranean. Thus, the African wet periods inducing a stratification of the water masses and the deposits of sapropels in the east, are associated with signatures of more radiogenic waters which are then transported by the LIW in the Tyrrhenian Sea. Superimposed on these orbital variations, rapid variations in εNd could be highlighted in the Corsica channel. Each cold event in the high latitudes of the Northern Hemisphere (Younger Dryas and Heinrich events) is characterized by a more radiogenic LIW in the Tyrrhenian Sea involving a reduction in the formation of intermediate water in the Gulf of Lion (linked to more strong freshwater inflows from the Atlantic during the Heinrich events) and / or a greater production of LIW in the eastern Mediterranean (linked to a cooling of the northern Mediterranean surface during the Heinrich events).